Повышение эффективности работы системы смазывания зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ОЗЩетехнические и социальные проблемы

сетей переменного тока / Вржесинский А. Е., Косарев Б. И., Москвин С. Л., Попов Ю. Б., Симаков А. В., Хананов В. В. - http://www1.fips_serv1/fips_servlet.

Статья поступила в редакцию 02.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным.

УДК 629.4.063.7 Е. В. Самойлова

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СМАЗЫВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ТЯГОВЫХ РЕДУКТОРОВ ТЕПЛОВОЗОВ

В статье описана разработанная система смазывания зубчатых передач, позволяющая повысить эффективность работы тяговых редукторов тепловозов. Представлены некоторые результаты испытаний и расчеты.

смазочные материалы, зубчатые передачи, система смазывания, тяговый редуктор тепловоза.

Введение

Тяговые зубчатые колеса и шестерни являются теми элементами конструкции локомотивов, работоспособность которых надо повышать. Продолжительность исправной работы тягового редуктора в редких случаях превышает 1,5 млн км пробега вместо 2,5 млн км, необходимых по условию равнопрочности всех элементов колесной пары до капитального ремонта. Из статистических данных известно, что тяговые редукторы тепловозов с односторонней прямозубой зубчатой передачей изнашиваются примерно в два раза быстрее электровозных [1].

Зубчатая передача тягового редуктора тепловоза работает в тяжелых условиях, связанных с повышенным трением между зубчатыми колёсами вследствие интенсивного выдавливания смазочного материала из зоны контакта. Недостаточное количество смазки потенциально вызывает появление сухого трения, что ведёт к повышению температуры и износа подвижных сопряжений. Эти негативные моменты приводят к отказам зубчатых передач в виде выкрашивания, схватывания, изменения формы зубьев, излома, снижения КПД.

Технически грамотная система смазывания тяговых редукторов тепловозов, обеспечивающая постоянное присутствие смазочного материала в зубчатых сопряжениях, за счёт резкого снижения износа деталей позволит сократить простои из-за преждевременных замен или ремонтов деталей, повысить надёжность эксплуатации.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

121

1 Разработанная система смазывания зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов

Разработанная система смазывания зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов (рис. 1, 2) состоит из упругих элементов 3, прочно закреплённых на торце зубчатого колеса 2 или шестерни 1 с высотой, несколько перекрывающей высоту зубьев. При вертикальном расположении сопряжённых колёс в нижней их части помещён корытообразный лоток 4 для сбора и многократного повторного использования в подвижном сопряжении выдавленного смазочного материала, который попадает туда, падая из-за собственного веса при выдавливании через вершины зубьев в момент их зацепления. При горизонтальном расположении сопряжённых колёс (рис. 3, 4) лоток может отсутствовать, так как зона зацепления сопряжённых зубьев закрыта упругим элементом, выполненным в виде кольцевого паза и закреплённым на торце зубчатого колеса, в который входит ответный кольцевой шип второго упругого элемента, закреплённого на торце шестерни.

Рис. 1. Схема вертикальной цилиндрической прямозубой передачи с одинаковой шириной венцов шестерни и колеса

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

Рис. 2. Схема вертикальной цилиндрической прямозубой передачи с разной шириной венцов шестерни и колеса

Рис. 3. Схема горизонтальной цилиндрической прямозубой передачи с одинаковой шириной венцов шестерни и колеса

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

123

Рис. 4. Схема горизонтальной цилиндрической прямозубой передачи с разной шириной венцов шестерни и колеса

Система смазывания зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов функционирует следующим образом: при работе зубчатой передачи смазочный материал после контакта очередной пары зубьев выдавливается в основном в стороны и частично через верх профилей зубьев. Достигнув ограничительных упругих элементов, смазочный материал частично их распирает, а затем, когда конкретная пара зубьев вышла из зацепления, вновь упруго возвращается в свободное пространство между следующими зубьями либо частично накапливается в корытообразном лотке, размещённом внизу зубчатых колёс при их вертикальном расположении. При горизонтальном расположении зубчатых колёс смазочный материал накапливается в горизонтальной части уплотнителя, играющего роль ограничителя полного исчезновения смазки из зоны сопряжения зубьев.

2 Экспериментально-аналитические исследования износостойкости зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов

Были произведены экспериментально-аналитические исследования износостойкости зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов. Цифровым штангензубомером измерялся линейный износ у шестерни по мере наработки x через каждые четыре дня испытаний (табл. 1) при трёх различных условиях:

вариант без наличия смазки (yi); типовой вариант смазывания (у2);

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

О2Щетехнические и социальные проблемы

вариант с разработанной системой смазывания зубчатых передач тяговых редукторов тепловозов (y3).

ТАБЛИЦА 1. Данные по износу шестерни тягового редуктора тепловоза

х, дни 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

yi, мм 0,20 0,40 0,46 0,52 0,66 0,70 0,80 0,85 0,92 1,04

У2, мм 0,10 0,22 0,26 0,32 0,40 0,44 0,55 0,78 0,83 0,90

Уз, мм 0,10 0,16 0,20 0,22 0,25 0,26 0,30 0,33 0,39 0,44

Алгоритм решения задачи, связанной с обработкой статистических данных, полученных при анализе износа шестерни тягового редуктора при трёх рассмотренных условиях, представлен ниже.

Значения при варианте с разработанной системой смазывания тяговых зубчатых передач тепловозов, представленные с нарастающим итогом, изображены графически на рис. 5. Расположение точек даёт основание предположить, что зависимость износа от времени наработки нелинейная и может быть описана полиномом.

Рассмотрим регрессионную модель вида [2]:

X*) = Р0 + Ра + Ра2 .

Оценки параметров Ро, Pi, р2 получим по методу наименьших квадратов:

П

(?(Ро > Pi 5 Рг ) = 2 - (Ро + Ра + $2Х? ))2 min •

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

125

Рис. 5. Кривая износа, построенная с учётом нарастания его величины по мере увеличения времени наработки

Из необходимых условий минимума функции Q(P0, Рь в2) следует, что оценки величин, стоящих в круглых скобках, есть решения системы уравнений. Полученная система уравнений может быть записана в матричном виде:

(АтА)$ = Ау. (1)

T

Решение системы (1) при условии, что детерминант det(A А) Ф 0, для определения вектора оценок параметров модели имеет вид:

Р = (АгАГ'Агу.

С помощью программы Microsoft Excel был произведён расчёт и таким образом получена регрессионная модель износа вида: при варианте без наличия смазки

у =-0,08644 + 0,064138* + 0,0025 5 7*2;

при типовом варианте смазывания

у = 0,042644 + 0,007586* + 0.002744*2;

при варианте с разработанной системой смазывания тяговых редукторов тепловозов

у = 0,2481609 - 0,003103* + 0,0016236*2. (2)

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

ОЕЗщетехнические и социальные проблемы

ТАБЛИЦА 2. Реальные данные об износе и значения, соответствующие регрессионной модели с учётом цикла наработки в днях

Вариант без наличия смазки

у, мм 0,2 0,6 1,06 1,58 2,24 2,94 3,74 4,59 5,51 6,55 ? ? ?

у, мм 0,21 0,59 1,05 1,59 2,22 2,92 3,71 4,58 5,54 6,57 7,68 8,88 10,16

Типовой вариант смазывания

Уг, мм 0,10 0,32 0,58 0,90 1,30 1,74 2,29 3,07 3,90 4,80 ? ? ?

у, мм 0,12 0,28 0,53 0,87 1,29 1,80 2,41 3,09 3,87 4,74 5,69 6,73 7,86

Вариант с разработанной системой смазывания тяговых редукторов тепловозов

Уг, мм 0,10 0,26 0,46 0,68 0,93 1,19 1,49 1,82 2,21 2,65 ? ? ?

у, мм 0,26 0,33 0,44 0,61 0,83 1,11 1,43 1,81 2,24 2,72 3,25 3,84 4,48

Знаки вопроса в табл. 2 поставлены с целью оценки прогноза в дальнейшем возможном процессе изнашивания шестерни тягового редуктора. Данные прогнозирования получили практическое подтверждение.

Теперь проверим значимость модели (2) при варианте с разработанной системой смазывания тяговых зубчатых передач тепловозов. Для этого первоначально определим величины изнашивания детали в принятой модели, в частности, среднее значение величин износа

у, равное значение и величину Ату.

Далее вычислим следующие величины: QR = р Ату — пу2 = 6,5044; Qy = 2>,2 - Пу2 = 6,5477; Q, = Qy -QR= 0,0433.

Значения износа, полученные при продолжении опытов, то есть при наработках за 44, 48 и 52 дня, фактически оказались равными 3,28; 3,89 и 4,53 мм, что даёт высокую сходимость результатов.

Проверим гипотезу Н0: Pi = 0, в2 = 0. Если эта гипотеза верна, то модель (2) незначима.

Рассмотрим статистику вида F = (0R (10 - 3)) / ((3 — 1 )Qe),

подчиняющуюся распределению Фишера с (3-1) и (10-3) степенями свободы [3]. Тогда, подставляя числовые значения в приведённую формулу, получаем F = 525,759.

Так как квантиль распределения Фишера при уровне значимости 0,95 и числе степеней свободы (2;7) равен [3]

F095; (2;7) = 4,74, т. е. намного меньше, чем F = 525,759, то гипотеза о незначимости модели (2) отклоняется.

Определим коэффициент детерминации R :

R2 = Qr / Qy = 6,5044 / 6,5477 = 0,9934,

или R = 0,9967.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

127

Найденная величина R оценивает коэффициент корреляции между опытными данными yj и вычисленными величинами, которые предсказывает модель (2).

Качество аппроксимации, которое обеспечивает регрессионная модель (2), определяется остаточной дисперсией вида

s2 =Qe/(n- 3) = 0,0433 / (10 - 3) = 0,006186,

или S = 0,1.

Для вычисления границ доверительных интервалов для параметров модели (2) потребуется оценить ковариационную матрицу К параметров:

K = S2(AtA)-\

диагональные элементы Sa„ которой участвуют в формировании доверительных интервалов:

(1 ±+„,2;»W"2 ' = 0. 1.2,..., п,

где /1-а/2;(1о-з) - квантиль распределения Стьюдента при заданном уровне значимости а и числе степеней свободы (10;3).

Кроме того, вычислим границы доверительных интервалов для параметров модели (2).

В частности,

дляРо 0,24 8 ±2,3 6-0,1-^/1383 —» (-0,029, +0,525);

для Pi

- 0,003± 2,36 • 0,1 • д/0,015 (-0,032; +0,026);

для р2 0,0016 ± 2,36 • 0,1 • 4l • 10 6 (0,001; 0,002).

Доверительный интервал для дисперсии ошибок измерений определяется выражением:

(10-3)£2

Xl-a/2;(10-3)

2 (10-3)6"

< G ----—

X

сс/2;(10-3)

2 2

где % - квантиль % -распределения при заданном уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы (10;3) [3],

Хо,975;7

2

0,025;7

X

= 16,01; = 1,69.

Таким образом, искомый доверительный интервал имеет следующий

вид:

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

О28цетехнические и социальные проблемы

7-0,01 2 7-0,01

-------< а <----------;

16,01 1,69

0,004 < о2 <0,041.

На систему смазывания тяговых зубчатых передач оформлена заявка № 2009119152 на получение патента на изобретение. Постоянное присутствие смазочного материала в зоне контакта тяговых зубчатых передач тепловозов позволяет по сделанным оценкам повысить износостойкость от 3 до 5 раз. В разработанном варианте обеспечивается устойчивое смазывание тяговых редукторов тепловозов без применения дорогого дополнительного оборудования или сложных специальных устройств, надёжность работы которых относительно невысока.

Заключение

Разработанная система смазывания тяговых редукторов тепловозов, обеспечивающая постоянное присутствие смазочного материала в зубчатых сопряжениях, за счёт резкого снижения износа деталей позволяет сократить простои из-за преждевременных замен или ремонтов колёс, повысить надёжность эксплуатации.

Библиографический список

1. Тяговые приводы локомотивов. Устройство, обслуживание, ремонт / В. Н. Калихович. - М. : Транспорт, 1983. - 111 с.

2. Вероятностные разделы математики : учебник для бакалавров технических направлений / ред. Ю. Д. Максимов. - СПб. : Иван Федоров, 2001. - 592 с. - ISBN 5-81940-050-X.

3. Теория вероятностей и математическая статистика. Базовый курс с примерами и задачами : учеб. пособие / А. И. Кибзун, Е. Р. Горяинова, А. В. Наумов, А. Н. Сиротин. - М. : Физматлин, 2002. - 224 с. - ISBN 5-9221-0231-1.

Статья поступила в редакцию 05.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

УДК 629.4.069 Е. В. Черток

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРОВ ХОЛОДИЛЬНИКА ТЕПЛОВОЗА ТЭП70

Одним из основных минусов гидростатического привода вентиляторов холодильника является недостаточная надежность его аксиально-поршневых насос-

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2